基于組態王和S7—200的過程控制綜合實驗平臺

摘要：介紹了以三容水箱、小型鍋爐和板式換熱器為被控對象，SIMATIC S7-200 PLC為控制器，裝有組態王監控系統的上位機構成的過程控制綜合實驗平臺。上位機通過PC/PPI電纜與下位機PLC通信，實時檢測被控對象的液位、溫度、壓力、流量四個參數，經過數據處理和PID運算，運算結果輸出送至執行器，執行器為電動調節閥和變頻器。實踐教學證明，該實驗平臺充分模擬工業控制現場，人機界面友好，實驗效果良好，可完成多種過程控制實驗。

關鍵詞：過程控制 傳感器 組態王

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）01（b）-0-02

過程控制是一門重要的電氣工程及其自動化專業課程，具有極強的工程實踐性。具有設計型、綜合型、創新型和探索型的過程控制綜合實驗平臺，是培養學生工程實踐能力的基礎條件[1-4]。通過實踐學習，學生可以更直觀地了解過程控制系統的硬件組成，如執行器、控制器、測量變送器，掌握過程控制系統的設計方法。在北京華晟云聯科技有限公司的A3000高級過程控制實驗裝置基礎上，設計的過程控制綜合實驗平臺可以檢測和控制液位、壓力、溫度、流量四個過程控制的典型參數，平臺上位機采用組態王軟件進行現場監控和參數控制。該綜合實驗平臺以三容水箱、小型鍋爐和板式換熱器為被控對象，SIMATIC S7-200 PLC為控制器，不僅可以實現簡單控制系統實驗，而且可以完成串級控制系統、前饋控制系統、比值控制系統等復雜控制系統實驗。

1 系統組成

過程控制綜合實驗平臺以三容水箱、小型鍋爐和板式換熱器為被控對象，SIMATIC S7-200 PLC為控制器，平臺上位機采用組態王軟件進行現場監控和參數控制。該平臺由上位機、現場系統和控制系統組成，其組成結構如圖1所示。該平臺上位機裝有組態王軟件和STEP 7-Micro/WIN 32編程軟件，通過PC/PPI電纜與控制系統下位機PLC通信?？刂葡到y由下位機PLC、研華ADAM4000模塊、供電系統、變頻器、移相調壓器、福光百特智能調節儀等組成，用于實時顯示過程參數，下位機PLC對采集數據進行處理，根據控制要求進行控制運算，運算結果送入現場系統。現場系統包含三個水箱、一個蓄水箱、一個小型鍋爐、一個工業用板式換熱器、水泵、滯后系統、傳感器和執行器，用于實時檢測被控對象的液位、壓力、溫度、流量四個過程參數[5-6]，并根據控制系統送入的運算結果控制執行器動作。

1.1 被控對象

為了充分模擬工業控制現場，過程控制綜合實驗平臺以三容水箱、小型鍋爐和板式換熱器為被控對象，以液位、壓力、溫度、流量為被控變量，以變頻器控制的水泵轉速、電動調節閥的開度為操縱變量，平臺示意圖如圖2所示。

1.2 測量變送器

過程控制綜合實驗平臺中測量變送器包括五個溫度變送器、三個液位變送器、一個壓力變送器、一個電磁流量計和一個渦輪流量計。溫度檢測采用Pt100熱電阻溫度傳感器測量范圍為0～100 ℃。液位檢測采用擴散硅液位變送器，測量范圍為0～500 mm。壓力檢測采用擴散硅壓力變送器，測量范圍為0～150 kPa。流量檢測采用電磁流量計和渦輪流量計，測量范圍為0～3 m3/h。測量變送器輸出標準的4～20 mA電流信號，送入控制系統的顯示儀表顯示，并送入PLC模擬量模塊輸入端子，為控制器運算提供檢測數據。

1.3 控制系統

控制系統采用SIMATIC S7-200 PLC（型號：CPU224），外加三個模擬量擴展模塊，控制算法采用P、PI、PID。CPU224集成14個輸入＼10個輸出共24個數字量I/O點，16 K字節程序和數據存儲空間，6個獨立的30 kHz高速計數器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出，1個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力，與上位機通信。CPU224本身不能處理模擬信號，故處理模擬信號時需要外加模擬量擴展模塊EM235，該模塊有四路模擬量輸入一路模擬量輸出，可直接與傳感器和執行器相連，完成對現場系統模擬量的檢測和對執行器的控制。

1.4 執行器

系統在對被控變量進行控制時，執行器可以采用美國霍尼韋爾電動調節閥，根據控制系統給出的控制信號，改變電動調節閥的開度以調節操縱變量的大小。執行器也可以采用西門子M420變頻器和水泵，變頻器根據控制系統給出的控制信號輸出不同的信號，以改變電機轉速調節水泵出口流量，即調節操縱變量的大小。

1.5 組態監控功能

上位機采用組態王軟件開發設計實驗平臺監控系統，圖3為單容液位控制系統監控畫面。組態王從研華ADAM4000模塊讀數，對采集數據進行保存和處理，對被控參數進行實時監測、工藝流程演示、趨勢曲線顯示、歷史曲線顯示等，同時在線調整控制器參數，實現在線比較分析控制參數在控制過程中的作用[7-9]。

2 過程控制綜合實驗設計

過程控制綜合實驗平臺可充分模擬工業控制現場，實現多種過程控制實驗，主要包括：對象數學模型的測定與建立實驗、單回路控制實驗、復雜控制實驗、自動化網絡實驗等。

2.1 對象數學模型的測定與建立實驗

對象數學模型的測定與建立實驗包括：單容水箱液位數學模型測定實驗、多容水箱液位數學模型的測定實驗、非線性容積的水箱測定、鍋爐與加熱器對象數學模型、滯后管數學模型、換熱器數學模型實驗、泵特性實驗、調節閥特性實驗、調壓器數學模型實驗。根據被控對象的不同，控制系統輸入階躍信號或脈沖信號，檢測變送器將被控變量（液位、壓力、溫度、流量）轉換為4-20 mA信號，根據被控變量測量值隨時間的變化曲線，測定被控對象的數學模型。

2.2 單回路控制實驗

單回路控制實驗包括單容下水箱液位控制實驗、豎直雙容液位控制實驗、豎直三容液位控制實驗、水平雙容液位控制實驗、單容鍋爐液位控制實驗、流量調節閥控制實驗、壓力調節閥控制實驗、鍋爐動態水溫度控制實驗、換熱器冷水出口溫度控制實驗、臥式圓筒非線性液位控制實驗。該平臺可對液位、溫度、壓力、流量實現單回路控制。

測量變送器采集被控變量的測量值，送入PLC模擬量輸入通道進行A/D轉換，與設定值比較后得到偏差，送入控制算法進行運算得到控制信號，控制信號送入執行器（電動調節閥或變頻器）改變操縱變量。

2.3 復雜控制實驗

復雜控制實驗包括流量-液位串級控制實驗、換熱器出口溫度和冷水流量串級控制、比值控制系統實驗、經典解耦控制系統實驗、流量-液位前饋-反饋控制系統實驗、鍋爐溫度和換熱器前饋-反饋控制實驗。流量比值控制系統實驗示意圖如圖4所示，主動流量變送器實時檢測主動量流量，從動流量變送器實時檢測從動量流量，均轉換為4-20 mA信號輸入比值器，比值與給定值送入控制器進行比較運算，運算結果送入執行器改變從動量流量，達到比值控制的目的。

3 結語

該過程控制綜合實驗平臺設計靈活巧妙，多種被控對象充分模擬工業控制現場，實現對液位、溫度、壓力、流量四個過程控制參數的實時檢測和控制?？赏瓿珊唵慰刂葡到y實驗和串級控制系統、前饋控制系統、比值控制系統等復雜控制系統實驗。采用組態王監控系統實現了友好的人機界面，組態畫面直觀顯示控制系統的流程、實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線等。該實驗平臺有利于學生更好地掌握過程控制理論知識，培養學生的工程實踐能力。

參考文獻

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